CN111618880B - 一种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人及其应用方法，机器人主要包括机体、伸缩装置和攀爬末端；机体包括可相对滑动的左右两部分,伸缩装置有上、下伸缩杆，两组伸缩装置对称连接于机体的左右侧，上、下伸缩杆的端部上端分别连接有攀爬末端；攀爬末端包括可绕脚钉旋转的C形抓爪和可上下摆动的钩式抓爪，C形抓爪的开口朝下时与钩式抓爪配合抓紧脚钉、开口朝上时两抓爪松开脚钉；机体上对应两组伸缩装置之间连接有载人构件；两组伸缩装置对角的攀爬末端同时抓紧或者松开脚钉，左右交替沿铁塔上左右两侧的脚钉实现爬塔和下塔。本发明的应用，既可减轻作业人员的劳动强度，又可以提高作业安全，具有很高的推广价值。

Description

一种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路作业用机器人，具体涉及一种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人及其应用方法。

背景技术

输电线路主要由导线、绝缘子、杆塔、避雷线和接地装置组成。杆塔主要起到支撑作用，输电线路杆塔按材料分为铁塔和砼塔，铁塔在输电线路上的使用占比高达80%以上，特别是500kV及以上线路目前占到100%。在线路运维检修中，触电与高空坠落是危害人身安全的两大主要因素。随着电网建设的迅速发展，铁塔的呼高越来越高，特高压线路的平均呼高达到70米以上，作业人员体力越来越难以满足作业需求。在极端天气时，特别是在线路覆冰时，作业人员无法爬塔，但在出现想要进行作业就必须要爬塔这种情况时，就会严重危及到作业人员的安全。因此，研究爬塔机器人将作业人员运送到塔上，既可减轻作业人员的劳动强度，又可以提高作业安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可载人沿铁塔的脚钉自动攀爬的机器人及其应用方法。

本发明提供的这种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，主要包括机体、伸缩装置和攀爬末端；机体包括可相对滑动的左右两部分,伸缩装置有上、下伸缩杆，两组伸缩装置对称连接于机体的左右侧，上、下伸缩杆的端部上端分别连接有攀爬末端；攀爬末端包括C形抓爪和钩式抓爪，C形抓爪可绕脚钉旋转至开口朝上和朝下的状态，钩式抓爪可上下摆动；C形抓爪的开口朝下位于脚钉的正上侧时与钩式抓爪配合抓紧脚钉，松开脚钉时，钩式抓爪下摆打开，C形抓爪旋转至开口朝上位于脚钉的正下侧；机体上对应两组伸缩装置之间连接有载人构件；两组伸缩装置对角的攀爬末端同时抓紧或者松开脚钉，左右交替沿左右两侧的脚钉实现向上和向下爬塔。

上述技术方案的一种实施方式中，所述机体包括两连接架和它们之间的纵向滑台；连接架包括纵向立板和连接于其外侧中部的U型架，U型架的开口端连接与纵向立板的外侧，纵向立板的两端分别连接有与U型架侧臂平行的轴承座；纵向滑台包括纵向滑轨和与之配套的滑块；两连接架以纵向立板相对左右对称布置，纵向滑轨和滑块分别固定于两连接架的纵向立板上。

上述技术方案的一种实施方式中，所述载人构件连接于所述纵向滑轨上，包括上部的丁形架和下部的T形架，丁形架用于坐人，T形架用于踩脚。

上述技术方案的一种实施方式中，所述伸缩装置包括内螺纹管、减速电机、主动齿轮、从动齿轮、回转链条和所述上伸缩杆和下伸缩杆；内螺纹管上半段和下半段的螺纹旋向相反，上伸缩杆和下伸缩杆均为螺杆，它们分别连接于内螺纹管的上半段和下半段；从动齿轮固定于内螺纹管的中部外壁，减速电机固定于所述U型架的外端，主动齿轮连接于减速电机的输出轴上，主动齿轮和从动齿轮通过回转链条传动。

上述技术方案的一种实施方式中，所述上伸缩杆和下伸缩杆的长度相等，下伸缩杆的直径大于上伸缩杆的直径。

上述技术方案的一种实施方式中，所述C形抓爪为C形齿环，其齿圈两侧有对称伸出的轮毂环，所述钩式抓爪为拐臂爪。

上述技术方案的一种实施方式中，所述攀爬末端还包括安装座、回转驱动装置和摆动驱动装置；安装座包括安装盒及其一端连接的安装臂，安装臂分别垂直连接于所述上伸缩杆和下伸缩杆的端部；回转驱动装置包括伺服电机、输出齿轮、过渡齿轮和驱动齿轮，伺服电机与安装臂平行布置，输出齿轮和过渡齿轮为一对锥齿轮，输出齿轮连接于伺服电机的输出轴上，过渡齿轮和驱动齿轮连接于驱动轴上，驱动轴垂直于输出轴布置，穿过安装盒的侧壁，过渡齿轮连接于驱动轴的外端与输出齿轮啮合，驱动齿轮位于安装盒内；驱动齿轮与所述C形抓爪啮合；摆动驱动装置为电动推杆，其一端通过铰接座与安装臂连接，另一端与所述钩式抓爪铰接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述C形抓爪为两侧有伸出轮毂的C形齿环，C形齿环啮合于所述驱动齿轮的外侧，所述安装盒的侧壁有与轮毂相应的弧形槽，用于安装C形抓爪及给其回转运动导向；所述钩式抓爪为拐臂爪，其外端与所述电动推杆的伸缩端铰接，中部拐角处与所述安装盒的侧壁铰接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述C形抓爪的内侧设置有耐磨防滑层或破冰钉齿。

本发明提供的这种上述机器人沿铁塔脚钉攀爬的方法，包括以下步骤：

一、机器人的初始状态

使机器人左侧伸缩装置的上下伸缩杆保持缩回、右侧伸缩装置的上下伸缩杆同时伸出；

二、将机器人固定于铁塔两侧的脚钉上

将机器人的机体与铁塔脚钉角对中且与铁塔脚钉角的外侧平行布置，并将机器人左侧的四个攀爬末端分别抓住铁塔脚钉角左侧的第一和第二各脚钉，右侧的两个攀爬末端抓住铁塔脚钉角右侧的第一个和第三个脚钉；

三、工作人员坐到载人构件上，并通过安全带与机器人主体绑定；

四、机器人左右交替沿脚钉攀爬完成载人爬塔任务

（1）、使机器人左侧上端和右下下端的攀爬末端同时松开抓住的脚钉，两攀爬末端的钩式抓爪下摆打开；

（2）、右侧伸缩装置的下伸缩杆回缩，左侧伸缩装置的上伸缩杆伸出，C形抓爪旋转至开口朝上的状态，直至右侧下端攀爬末端上向移动至其C形抓爪的内侧与右侧第二个脚钉的正下侧接触，左侧上端攀爬末端向上移动至其C形抓爪内侧与左侧第三个脚钉的正下侧接触；

（3）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的C形抓爪旋转至开口朝下的状态，使两C形抓爪的内侧分别与左侧第三个脚钉和右侧第二个脚钉的正上侧接触；

（4）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的钩式抓爪上摆分别钩住相应的脚钉，此时左侧上端和右侧下端的两攀爬末端分别抓住左侧的第三个脚钉和右侧的第二个脚钉；

（5）、使机器人左侧下端和右侧上端的同时松开抓住的脚钉，参照步骤（1）-（4），使左侧下端和右侧上端的攀爬末端分别抓住左侧的第二个脚钉和右侧的第四个脚钉；

依次类推，直至机器人攀爬至指定位置，工作人员进行作业操作；

作业操作完成后，机器人载人下塔，下塔攀爬参照上述操作反向进行。

本发明的机器人有上下左右对称布置的伸缩杆作为伸缩臂，每个伸缩臂的端部分别连接有攀爬末端，使本机器人形成四足机器人，机器人的机体上设置有载人构件，当作业电工坐好并通过安全带与机体绑牢后，机器人一对角的攀爬末端抓住两侧错位的脚钉保持机器人的固定，而另一对角的攀爬末端同时向上或向下运动，然后依次交替保持抓住脚钉固定或者及向上或向下运动去抓住更上或者更下的脚钉，从而完成载人爬塔的任务。本发明的应用，既可减轻作业人员的劳动强度，又可以提高作业安全，具有很高的推广价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例的主视结构示意图。

图2为图1的左视示意图。

图3为图1中机体的三维放大示意图。

图4为图1中机体与伸缩装置的三维放大装配示意图。

图5为图4中上伸缩杆连接的攀爬末端的三维放大示意图（安装座的安装盒打开一侧板）。

图6为图4中下伸缩杆连接的攀爬末端的三维放大示意图（安装座的安装盒打开一侧板）。

实施方式

从图1可以看出，本实施例公开的这种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，包括机体1、伸缩装置2、上攀爬末端3、下攀爬末端4。

结合图1至图3可以看出，机体1包括连接架和纵向滑台。

连接架包括纵向立板11和连接于其外侧中部的U型架12，U型架的开口端连接与纵向立板的外侧，纵向立板11的两端分别连接有与U型架侧臂平行的轴承座13。

纵向滑台包括纵向滑轨14和与之配套的滑块15。

两连接架以纵向立板11相对左右对称布置，纵向滑轨14和滑块15分别固定于两连接架上。

纵向滑轨14的顶部连接有用于作业人员坐的丁字架16、底部连接有用于作业人员踩脚的T形架17。

结合图1至图4可以看出，伸缩装置2包括内螺纹管21、减速电机22、主动齿轮23、从动齿轮24、回转链条25、上伸缩杆26和下伸缩杆27。

内螺纹管21上半段和下半段的螺纹旋向相反，上伸缩杆26和下伸缩杆27均为螺杆，它们分别连接于内螺纹管21的上半段和下半段。

从动齿轮24固定于内螺纹管21的中部外壁，减速电机22固定于机体1U型架12的外端，主动齿轮23连接于减速电机22的输出轴上，主动齿轮和从动齿轮通过回转链条25传动。

上伸缩杆26和下伸缩杆27的长度相等，下伸缩杆27的直径大于上伸缩杆26的直径。

伸缩装置2的内螺纹管21两端分别连接有轴承，轴承安装于机体1上的轴承座13中。

伸缩装置的工作原理如下：减速电机工作，其输出轴上的主动齿轮旋转的同时带动从动齿轮旋转，内螺纹管随从动齿轮旋转，上、下伸缩杆可伸出或者回缩。

结合图1、图2和图5可以看出，上攀爬末端3包括安装座31、C形抓爪32、钩式抓爪33、伺服电机34、输出齿轮、过渡齿轮、驱动齿轮37、驱动轴38、电动推杆39。

安装座31包括安装盒311及其一端连接的安装臂312，安装臂分别垂直连接于上伸缩杆26和下伸缩杆27的端部。

如图5所示，伺服电机34与安装臂312平行布置，输出齿轮和过渡齿轮为一对锥齿轮，输出齿轮连接于伺服电机34的输出轴上，过渡齿轮和驱动齿轮37连接于驱动轴38上，驱动轴38垂直于输出轴布置，穿过安装盒311的侧壁，过渡齿轮连接于驱动轴38的外端与输出齿轮啮合，驱动齿轮37位于安装盒311内。

图5中伺服电机34的输出轴、输出齿轮和过渡齿轮均被罩壳ZK罩住，罩壳固定于安装盒311的侧板上。。

C形抓爪32为两侧有伸出轮毂的C形齿环，啮合于驱动齿轮37的外侧。安装盒311的侧壁有与轮毂相应的弧形槽，用于安装C形抓爪及给其回转运动导向。

电动推杆39安装于安装座31的安装臂312上，钩式抓爪33为拐臂爪，其外端与电动推杆的伸缩端铰接，中部拐角处与安装盒的侧壁铰接。

上攀爬末端3抓住脚钉的工作原理如下：

伺服电机工作，其输出轴上的输出齿轮旋转，带动过渡齿轮旋转，同时驱动齿轮旋转，驱动齿轮带动C形抓爪旋转，使C形抓爪的开口朝下从脚钉正上方扣住脚钉，同时电动推杆工作，钩式抓爪向上摆动钩住脚钉，即C形抓爪和钩式抓爪配合抓住脚钉。

C形抓爪32的内侧与脚钉接触，在C形抓爪32的内弧面设置有耐磨防滑层。上攀爬末端松开脚钉时，C形抓爪反向旋转至位于脚钉正下侧的开口朝上状态，钩式抓爪下摆打开。C形抓爪的回转角度通过伺服电机34的回转角度控制，以避免C形抓爪回转过度。

上伸缩杆向上伸出，上攀爬末端的C形抓爪碰到上方的脚钉时，伸缩装置的减速电机停止工作，为了便于控制判断，C形抓爪反向旋转的终止状态为位于脚钉正下侧的开口朝上，可在C形抓爪上设置接触式传感器作为碰检限位装置。

当上攀爬末端上升到位后，使C形抓爪旋转至开口朝下对应于上方脚钉的正上方扣住该脚钉，同时钩式抓爪配合钩住脚钉。

即伺服电机34、输出齿轮、过渡齿轮、驱动齿轮37、驱动轴38作为C形抓爪的回转驱动装置，而电动推杆则为钩式抓爪的摆动驱动装置。

如图6所示，下攀爬末端4和上攀爬末端3的结构基本相同，差别在于下攀爬末端4的钩式抓爪为一对位于C形抓爪两侧的拐臂爪，且拐臂爪的末端为弧形凹槽，抓住脚钉时，C形抓爪从脚钉上方扣住脚钉，一对钩式抓爪从脚钉外下侧托顶住脚钉，这样使下攀爬末端能承受比上攀爬末端更大的力。

从上述结构可以看出，本机器人的上下伸缩杆作为四个伸缩臂上下左右对称布置，各伸缩臂端部均有攀爬末端，所以本机器人为四足机器人，作业电工坐在机器人机体上的载人构件上，并用安全带与机器人主体相连，机器人对角的一对攀爬末端固定在脚钉上保持机器人稳定，另一对攀爬末端同时向上或者向下运动，相互交替抓住脚钉固定机器人或者向上向下伸出去抓住更高或者更低的脚钉，沿两排脚钉交替攀爬，完成载人爬塔的任务，具体如下：

一、机器人的初始状态

使机器人左侧伸缩装置的上下伸缩杆保持缩回、右侧伸缩装置的上下伸缩杆同时伸出；

二、将机器人固定于铁塔两侧的脚钉上

将机器人的机体与铁塔脚钉角对中且与铁塔脚钉角的外侧平行布置，并将机器人左侧的四个攀爬末端分别抓住铁塔左侧脚钉的第一和第二个脚钉，右侧的两个攀爬末端抓住铁塔右侧脚钉的第一个和第三个脚钉；

三、工作人员坐到载人构件上，并通过安全带与机器人的机体绑定；

四、机器人左右交替沿脚钉攀爬完成载人爬塔任务

（1）、使机器人左侧上端和右下下端的攀爬末端同时松开抓住的脚钉，两攀爬末端的C形抓爪回转至开口朝上的状态，钩式抓爪下摆打开；

（2）、右侧伸缩装置的下伸缩杆回缩，左侧伸缩装置的上伸缩杆伸出，直至右侧下端攀爬末端上向移动至其C形抓爪的内侧与右侧第二个脚钉的正下侧接触，左侧上端攀爬末端向上移动至其C形抓爪内侧与左侧第三个脚钉的正下侧接触；

（3）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的C形抓爪旋转至开口朝下的状态，使两C形抓爪的内侧分别与左侧第三个脚钉和右侧第二个脚钉的正上侧接触；

（4）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的钩式抓爪上摆分别钩住相应的脚钉，此时左侧上端和右侧下端的两攀爬末端分别抓住左侧的第三个脚钉和右侧的第二个脚钉；

（5）、使机器人左侧下端和右侧上端的同时松开抓住的脚钉，参照步骤（1）-（4），使左侧下端和右侧上端的攀爬末端分别抓住左侧的第二个脚钉和右侧的第四个脚钉；

依次类推，直至机器人攀爬至指定位置，工作人员进行作业操作；

作业操作完成后，机器人载人下塔，下塔攀爬参照上述操作反向进行。

Claims (10)

1.一种沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：它包括机体、伸缩装置和攀爬末端；

机体包括可相对滑动的左右两部分,伸缩装置有上伸缩杆和下伸缩杆，两组伸缩装置对称连接于机体的左右侧，上伸缩杆和下伸缩杆的端部上端分别连接有攀爬末端；

攀爬末端包括 C 形抓爪和钩式抓爪，C 形抓爪可绕脚钉旋转至开口朝上和朝下的状态，钩式抓爪可上下摆动；C 形抓爪的开口朝下位于脚钉的正上侧时与钩式抓爪配合抓紧脚钉，松开脚钉时，钩式抓爪下摆打开，C 形抓爪旋转至开口朝上位于脚钉的正下侧；

机体上对应两组伸缩装置之间连接有载人构件；

两组伸缩装置对角的攀爬末端同时抓紧或者松开脚钉，左右交替沿左右两侧的脚钉实现向上和向下爬塔。

2.如权利要求 1 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述机体包括两连接架和它们之间的纵向滑台；

连接架包括纵向立板和连接于其外侧中部的 U 型架，U 型架的开口端连接与纵向立板的外侧，纵向立板的两端分别连接有与 U 型架侧臂平行的轴承座；纵向滑台包括纵向滑轨和与之配套的滑块；

两连接架以纵向立板相对左右对称布置，纵向滑轨和滑块分别固定于两连接架的纵向立板上。

3.如权利要求 2 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述载人构件连接于所述纵向滑轨上，包括上部的丁形架和下部的 T 形架，丁形架用于坐人，T 形架用于踩脚。

4.如权利要求 2 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述伸缩装置包括内螺纹管、减速电机、主动齿轮、从动齿轮、回转链条及所述上伸缩杆和所述下伸缩杆；

内螺纹管上半段和下半段的螺纹旋向相反，上伸缩杆和下伸缩杆均为螺杆，它们分别连接于内螺纹管的上半段和下半段；

从动齿轮固定于内螺纹管的中部外壁，减速电机固定于所述 U 型架的外端，主动齿轮连接于减速电机的输出轴上，主动齿轮和从动齿轮通过回转链条传动。

5.如权利要求 4 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述上伸缩杆和所述下伸缩杆的长度相等，下伸缩杆的直径大于上伸缩杆的直径。

6.如权利要求 1 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述C形抓爪为C形齿环，其齿圈两侧有对称伸出的轮毂环，所述钩式抓爪为拐臂爪。

7.如权利要求 6 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述攀爬末端还包括安装座、回转驱动装置和摆动驱动装置；

安装座包括安装盒及其一端连接的安装臂，安装臂分别垂直连接于所述上伸缩杆和所述下伸缩杆的端部；

回转驱动装置包括伺服电机、输出齿轮、过渡齿轮和驱动齿轮，伺服电机与安装臂平行布置，输出齿轮和过渡齿轮为一对锥齿轮，输出齿轮连接于伺服电机的输出轴上，过渡齿轮和驱动齿轮连接于驱动轴上，驱动轴垂直于输出轴布置，穿过安装盒的侧壁，过渡齿轮连接于驱动轴的外端与输出齿轮啮合，驱动齿轮位于安装盒内；驱动齿轮与所述 C 形抓爪啮合；

摆动驱动装置为电动推杆，其一端通过铰接座与安装臂连接，另一端与所述钩式抓爪铰接。

8.如权利要求 7 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述C 形抓爪为两侧有伸出轮毂的 C 形齿环，C 形齿环啮合于所述驱动齿轮的外侧，所述安装盒的侧壁有与轮毂相应的弧形槽，用于安装 C 形抓爪及给其回转运动导向；所述钩式抓爪为拐臂爪，其外端与所述电动推杆的伸缩端铰接，中部拐角处与所述安装盒的侧壁铰接。

9.如权利要求 8 所述的沿铁塔脚钉攀爬的载人机器人，其特征在于：所述C 形抓爪的内侧设置有耐磨防滑层或破冰钉齿。

10.一种权利要求 1 所述机器人沿铁塔脚钉攀爬的方法，包括以下步骤：

一、机器人的初始状态

使机器人左侧伸缩装置的上、下伸缩杆保持缩回，右侧伸缩装置的上、下伸缩杆同时伸出；

二、将机器人固定于铁塔两侧的脚钉上

将机器人的机体与铁塔脚钉角对中且与铁塔脚钉角的外侧平行布置，并将机器人左侧的四个攀爬末端分别抓住铁塔脚钉角左侧的第一和第二各脚钉，右侧的两个攀爬末端抓住铁塔脚钉角右侧的第一个和第三个脚钉；

三、工作人员坐到载人构件上，并通过安全带与机器人主体绑定；

四、机器人左右交替沿脚钉攀爬完成载人爬塔任务

（1）、使机器人左侧上端和右下下端的攀爬末端同时松开抓住的脚钉，两攀爬末端的钩式抓爪下摆打开；

（2）、右侧伸缩装置的下伸缩杆回缩，左侧伸缩装置的上伸缩杆伸出，C 形抓爪旋转至开口朝上的状态，直至右侧下端攀爬末端上向移动至其 C 形抓爪的内侧与右侧第二个脚钉的正下侧接触，左侧上端攀爬末端向上移动至其 C 形抓爪内侧与左侧第三个脚钉的正下侧接触；

（3）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的 C 形抓爪旋转至开口朝下的状态，使两 C形抓爪的内侧分别与左侧第三个脚钉和右侧第二个脚钉的正上侧接触；

（4）、使左侧上端和右侧下端两攀爬末端的钩式抓爪上摆分别钩住相应的脚钉，此时左侧上端和右侧下端的两攀爬末端分别抓住左侧的第三个脚钉和右侧的第二个脚钉；

（5）、使机器人左侧下端和右侧上端的同时松开抓住的脚钉，参照步骤（1）-（4），使左侧下端和右侧上端的攀爬末端分别抓住左侧的第二个脚钉和右侧的第四个脚钉；

依次类推，直至机器人攀爬至指定位置，工作人员进行作业操作；

作业操作完成后，机器人载人下塔，下塔攀爬参照上述操作反向进行。